CC BY
208
УДК 621.396.969.3
Д. В. САПОЖНИКОВ А. В. ГАМИЛОВСКАЯ А. А. БЕЛОУСОВ Д. В. ФЁДОРОВ
Омский государственный технический университет
ЧАСТОТНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР СВЧ ДИАПАЗОНА НА МОНОЛИТНЫХ КВАДРАТУРНЫХ СМЕСИТЕЛЯХ_
В данной статье представлен способ конструирования частотных дискриминаторов на квадратурных монолитных смесителях. Приведены выходные характеристики полученного устройства и представлены их преимущества перед классическими частотными дискриминаторами.
Ключевые слова: частотный дискриминатор, мгновенный измеритель частоты, квадратурный смеситель, квадратурный демодулятор, системы радиоэлектронной борьбы.
В последнее время все большее значение приобретают системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и радиоэлектронной разведки (РЭР). Такие системы имеют особое значение для военной техники, так как позволяют повысить безопасность личного состава и продлить время жизни изделия в боевых условиях. Одним из направлений РЭБ является определение частоты радиосигнала. Такая необходимость часто возникает в системах, построенных на принципах пассивной радиолокации (ПР). Станция ПР принимает из эфира радиоимпульсы и по ним определяет характеристики объекта, который их излучает, например, местоположение объекта, расстояние до него, а также частоту сигнала, с которой он работает. Определение частоты особенно важно выполнить в кратчайший промежуток времени, и эта задача возложена на специальные системы мгновенного определения частоты (МИЧ). Более подробно с функционированием МИЧ можно ознакомиться в статье [1]. В данной статье будет представлен перспективный способ проектирования частотного дискриминатора (ЧД) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, входящего в системы МИЧ, с использованием компонентов современной элементной базы.
Частотный дискриминатор СВЧ диапазона — это устройство, на вход которого поступает радиосигнал и преобразуется в напряжение постоянного тока. Уровень напряжения зависит от частоты радиосигнала, и на этой зависимости основан принцип определения частоты. Классическая блок-схема ЧД приведена на рис. 1. Он состоит из одного входа радиочастотного сигнала (вход РЧС), двух синфазных делителей мощности (СДМ1, СДМ2), трёх квадратурных делителей мощности (КДМ1, КДМ2, КДМ3), линии задержки и четырёх детекторов (Д), с которых снимается детектированный сигнал (а,Ь,с,<3). К преимуществам ЧД такого типа можно отнести высокую устойчивость к внешним помехам. Это достигается за счёт того, что, при наведении помехи, она появляется на всех четырёх выходах дискриминатора. При сложении сигналов а —с, Ь — <3 она
взаимно вычитается и общий уровень напряжения остается неизменным. Вычитание выполняется с помощью операционных усилителей, расположенных по выходу дискриминаторов. Графики сигналов с выходов а, Ь, с, < приведены до и после вычитания на рис. 2 и 3 соответственно.
К недостаткам можно отнести относительно большие массагабаритные параметры (МГП), технологическую сложность исполнения и низкую надёжность изделия. Большие МГП связаны с большим количеством компонентов, выполненных в полосковом исполнении, а также с классической схемой детекторов, построенных на диодах и Я С цепочках. Высокая технологическая сложность обусловлена малыми габаритами и высокой точностью геометрических размеров квадратурных делителей мощности. Невысокая надежность связана с низким качеством элементной базы. Так, детекторные
Рис. 1. Блок-схема частотного дискриминатора СВЧ диапазона
F. (МГц)
Рис. 2. Графики зависимостей напряжения от частоты с выходов дискриминатора
Рис. 3. Графики зависимостей напряжения от частоты после вычитания
диоды, которые используются в дискриминаторах, очень требовательны к условиям монтажа, сильно подвержены воздействию статического напряжения, а также имеют низкий запас прочности. Все вышеперечисленные факторы делают ЧД трудно воспроизводимыми, имеющими высокую себестоимость.
Устранить вышеперечисленные недостатки можно, применив новые компоненты элементной базы. Такая возможность появилась в связи с активным развитием технологий по созданию сложных корпусированных микросхем на материалах с высокой диэлектрической проницаемостью. Для проектирования ЧД особый интерес представляют квадратурные демодуляторы (КД) и квадратурные смесители (КС), которые имеют возможность преобразовывать сигнал в нулевую промежуточную частоту (ПЧ). Квадратурные демодуляторы и смесители имеют два входа для сигнала и гетеродина, а также два выхода для сигналов ПЧ, сдвинутых друг относительно друга на 90°, причем некоторые из них работают в дифференциальном режиме. Они выпускаются в отдельных пластиковых или керамических корпусах с габаритами 4x4x1 мм
и устанавливаются на плату методом поверхностного монтажа. Производством таких микросхем занимается множество фирм, как зарубежных (Analog Devices [2]), так и отечественных (НИИ МА Прогресс [3]. Типичная блок-схема квадратурного демодулятора представлена на рис. 4.
Таким образом, если подать на вход Сиг. сигнал прямого канала, а на вход Гет. сигнал через линию задержки, то на выходах ПЧ будет получена огибающая с нулевой частотой f + f), причем уровень напряжения огибающей будет иметь синусоидальную зависимость от частоты. Блок-схема частотного дискриминатора с использованием микросхемы представлена на рис. 5. Для сравнения, часть топологии, которую можно заменить, занимает площадь порядка 30x30 мм, что более чем в 50 раз превышает новые габариты. Полученные на выходах ЧД синусоиды расположены в положительной и отрицательной плоскостях, что позволяет избежать применения дополнительных каскадов на выходах частотного дискриминатора для вычитания сигналов. Неоднородности выходных характеристик ЧД (рис. 6), обусловлены неполным согласованием СВЧ трактов и могут быть сведены
Рис. 5. Блок-схема частотного дискриминатора на микросхеме
Рис. 4. Блок-схема квадратурного демодулятора
к минимуму при более детальной доработке топологии устройства.
Таким образом, полученный ЧД на монолитных квадратурных смесителях может быть применен в существующей аппаратуре МИЧ. Его использование поможет решить ряд проблем, связанных с МГП, уменьшить себестоимость изделия, упростить схему и, как следствие, повысить надежность изделия в целом. Разработанный ЧД может работать в широком диапазоне температур с минимальными отклонениями выходных характеристик, что делает его пригодным для использования в авиации, а также в условиях Крайнего Севера.
Библиографический список
1. Сапожников, Д. В. Оценка потенциально достижимых точностей мгновенного измерителя частоты / Д. В. Сапожников // Россия молодая: передовые технологии в промышленность. - 2015. - № 2. - С. 63.
2. Analog Devices, ADL5380. — Режим доступа : http:// www.analog.com/ru/products/rf-microwave/iq-modulators-demodulators/iq-demodulators/adl5380.html (дата обращения: 10.11.2015).
3. НИИМА Прогресс, 1327МВ015. - Режим доступа : http://www.mri-progress.ru/products/bis-i-sbis/svch-mnogo-funktsionalnye/demodulyator-1327mv015/ (дата обращения: 10.11.2015).
Рис. 6. Выходные характеристики частотного дискриминатора на монолитном квадратурном демодуляторе
ГАМИЛОВСКАЯ Анастасия Вадимовна, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
БЕЛОУСОВ Алексей Александрович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
ФЁДОРОВ Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: paskalhelp@narod.ru
САПОЖНИКОВ Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: microwaverf@mail.ru
Статья поступила в редакцию 27.11.2015 г. © Д. В. Сапожников, А. В. Гамиловская, А. А. Белоусов, Д. В. Фёдоров
